图像文件的读写和转换：BMPtoYUV

2023-11-05 12:50
文章标签 转换 读写 图像文件 bmptoyuv

本文主要是介绍图像文件的读写和转换：BMPtoYUV，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

实验目的

1.理解图像文件的基本组成。
2.掌握结构体作为复杂数据对象的用法。进一步熟悉由问题到程序的解决方案，并掌握编程细节：如内存分配、倒序读写、字节序、文件读写过程等。

实验原理

BMP文件的组成结构

        BMP（全称Bitmap）是Windows操作系统中的标准图像文件格式，可以分成两类：设备相关位图（DDB）和设备无关位图（DIB），使用广泛。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，在绝大多数应用中不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit、16bit及24bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

典型的BMP图像文件由四部分组成：
(1)位图头文件数据结构，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；
(2)位图信息数据结构，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信
息；
(3)调色板，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（24
位的BMP)就不需要调色板；
(4)位图数据，这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，在24位图中直接
使用RGB,而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值。
相应的数据结构可表示如下：


位图文件头（定义BMP文件结构体）主要包括：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {WORD bfType; //说明文件的类型DWORD bfSize; // 说明文件的大小（包括头文件的14字节），用字节为单位WORD bfReserved1; //保留，设置为0 WORD bfReserved2; // 保留，设置为0 DWORD bfOffBits; //说明从BITMAPFILEHEADER结构开始到实际的图像数据之间的字节偏移量 } BITMAPFILEHEADER;

位图信息头主要包括：

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{DWORD      biSize;			//说明结构体所需字节数LONG       biWidth;			//以像素为单位说明图像的宽度LONG       biHeight;		//以像素为单位说明图像的高度WORD       biPlanes;		//说明位面数，必须为1WORD       biBitCount;		//说明位数像素，1表示黑白图、 4表示16色图、//8表示256色图、24表示真彩色图DWORD      biCompression;	//说明图像是否压缩及压缩类型BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDSDWORD      biSizeImage;		//以字节为单位说明图像大小，必须是4的整数倍LONG       biXPelsPerMeter;	//目标设备的水平分辨率，像素/米LONG       biYPelsPerMeter;	//目标设备的垂直分辨率，像素/米DWORD      biClrUsed;		//说明图像实际用到的颜色数，如果为0则颜色数为2的 //biBitCount次方DWORD      biClrImportant;	//说明对图像显示有重要影响的颜色索引的数目，//如果是0，表示都重要
} BITMAPINFOHEADER;

调色板

        调色板实际上是一个数组，它所包含的元素与位图所具有的颜色数相同，决定于biClrUsed和biBitCount字段。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构。真彩色无调色板部分。

typedef struct tagRGBQUAD {BYTE    rgbBlue;	//指定蓝色分量BYTE    rgbGreen;	//指定绿色分量BYTE    rgbRed;		//指定红色分量BYTE    rgbReserved;//指定保留，指定为0
} RGBQUAD

图像数据字节阵列

        紧跟在调色板之后的是图像数据字节阵列。对于用到调色板的位图，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值（逻辑色）。对于真彩色图，图像数据就是实际的R、G、B值。图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成，每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。规定每一扫描行的字节数必须是4的整倍数，也就是DWORD对齐的。扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。

字节序

        不同的计算机系统采用不同的字节序存储数据，同样一个4字节的32位整数，在内存中存储的方式不同。字节序分为小尾字节序(Little Endian)和大尾字节序(Big Endian)。Intel处理器大多数使用小尾字节序，Motorola处理器大多数使用大尾(Big Endian)字节序。

        小尾就是低位字节排放在内存的低端，高位字节排放在内存的高端，即所谓的“低位在前，高位在后”。大尾就是高位字节排放在内存的低端，低位字节排放在内存的高端，即所谓的“高位在前，低位在后”。TCP/IP各层协议将字节序定义为大尾，因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。

        在实现BMP文件头信息的写入和读出时，需要注意整数保存时的字节序。例如：文件大小是以Intel序保存的。在编程前先用二进制打开方式观察BMP文件各个部分的数据存储格式。

实验流程

(1)在图像处理软件中自行生成多个BMP文件，至少含5个不同的场景画面，要求带含有班级、学号后四位和本人姓名（缩写或昵称均可）的logo。(基本要求为24bit的BMP,进阶要求为支持小于24bit的BMP)
(2)编写将第一步所生成的多个BMP文件转化为YUV文件，要求可在命令行中设置每个画面出现的帧数。最后形成的YUV文件应至少包含200帧。重点掌握函数定义、缓冲区分配、倒序读写、结构体的操作。
(3)对整个程序进行调试，并将生成的YUV文件用播放软件观看，验证是否正确。

实验内容

1.生成五个不同场景的BMP文件

2.新建工程并传入参数

 头文件rgb2yuv.h

//头文件
//类的定义
//外部变量、函数的声明
//只能写声明，不能定义
//可以定义常量
//头文件保护
#ifndef RGB2YUV_H
#define	RGB2YUV_H
#define _CRT_SECURE_NO_DEPRECATE
#include<iostream>
#include<Windows.h>
using namespace std;void readrgb(FILE* bmpFile, BITMAPFILEHEADER& File_header, BITMAPINFOHEADER& Info_header,unsigned char* rgbBuf, unsigned long width, unsigned long height);void rgb2yuv(unsigned char* rgbBuf, unsigned char* yBuf, unsigned char* uBuf, unsigned char* vBuf,unsigned long width, unsigned long height);void outyuv(unsigned char* yBuf, unsigned char* uBuf, unsigned char* vBuf, unsigned long size, FILE* yuvFile);#endif

readrgb.cpp

#include"rgb2yuv.h"
//规定每一扫描行的字节数必须是4的整倍数，也就是DWORD对齐的。
//扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。
void readrgb(FILE* bmpFile, BITMAPFILEHEADER& File_header, BITMAPINFOHEADER& Info_header,unsigned char* rgbBuf, unsigned long width, unsigned long height)
{//判断是否有调色盘if (Info_header.biBitCount == 24)cout << "真彩无调色盘" << endl;//读rgb,24bit深度则位图数据部分就是真实的rgb直接输出即可unsigned char* bmp_rgb = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * width * height * 3);unsigned char* rgb = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * width * height * 3);//读取bmp文件fread(bmp_rgb, width * height * 3, 1, bmpFile);//倒序转正序for (int i = 0; i < int(height); i++) {for (int j = 0; j < int(width*3); j++) {*(rgbBuf+i * width*3 + j) = *(bmp_rgb+(height - i - 1) * width*3 + j);}}//memcpy(rgbBuf, rgb, height * width*3);}

rgb2yuv.cpp

#include"rgb2yuv.h"//Y=0.2990R+0.5870G+0.1140B
//U = -0.1684R-0.3316G + 0.5000B
//V = 0.5000R-0.4187G-0.0813B
//RGB排列顺序为BGRBGRBGR
void rgb2yuv(unsigned char* rgbBuf, unsigned char* yBuf, unsigned char* uBuf, unsigned char* vBuf,unsigned long width, unsigned long height)
{//将rgb取出提前处理参数unsigned char* u= (unsigned char*)malloc(width * height);unsigned char* v= (unsigned char*)malloc(width * height);int tmp = 0;for (int i = 0; i < int(width * height) * 3; i += 3) {*(yBuf + tmp) = (unsigned char)((float)0.2990 * (*(rgbBuf+i+2))+(float)0.5870 * (*(rgbBuf + i + 1))+ (float)0.1140* (*(rgbBuf + i )));*(u + tmp) = (unsigned char)((float)(-0.1684) * (*(rgbBuf + i + 2)) + (float)(-0.3316) * (*(rgbBuf + i + 1)) + (float)0.5 * (*(rgbBuf + i))+128);*(v + tmp) = (unsigned char)((float)0.5 * (*(rgbBuf + i + 2)) + (float)(-0.4187)* (*(rgbBuf + i + 1)) + (float)(-0.0813)* (*(rgbBuf + i))+ 128);tmp++;}tmp = 0;//将uv放入缓存，注意4：2：0for (int i = 0; i <int(height-1); i+=2) {for (int j = 0; j < int(width-1); j += 2) {*(uBuf + tmp) = (*(u + i * width + j) + *(u + (i+1) * width + j)+ *(u + i * width + j+1) + *(u + (i+1) * width + j+1))/4.0;*(vBuf + tmp)= (*(v + i * width + j) + *(v + (i + 1) * width + j)+ *(v + i * width + j + 1) + *(v + (i + 1) * width + j + 1)) / 4.0;tmp++;}}//对yuv信号进行限量化电平处理for (int i = 0; i <int( width * height); i++){if (*(yBuf + i) < 16)*(yBuf + i) = 16;if (*(yBuf + i) > 235)*(yBuf + i) = 235;}for (int i = 0; i < int(width * height) / 4; i++){if (*(uBuf + i) < 16)*(uBuf + i) = 16;if (*(vBuf + i) < 16)*(vBuf + i) = 16;if (*(uBuf + i) > 240)*(uBuf + i) = 240;if (*(vBuf + i) > 240)*(vBuf + i) = 240;}free(u);free(v);}

outyuv.cpp

#include"rgb2yuv.h"//Y=0.2990R+0.5870G+0.1140B
//U = -0.1684R-0.3316G + 0.5000B
//V = 0.5000R-0.4187G-0.0813B
//RGB排列顺序为BGRBGRBGR
void rgb2yuv(unsigned char* rgbBuf, unsigned char* yBuf, unsigned char* uBuf, unsigned char* vBuf,unsigned long width, unsigned long height)
{//将rgb取出提前处理参数unsigned char* u= (unsigned char*)malloc(width * height);unsigned char* v= (unsigned char*)malloc(width * height);int tmp = 0;for (int i = 0; i < int(width * height) * 3; i += 3) {*(yBuf + tmp) = (unsigned char)((float)0.2990 * (*(rgbBuf+i+2))+(float)0.5870 * (*(rgbBuf + i + 1))+ (float)0.1140* (*(rgbBuf + i )));*(u + tmp) = (unsigned char)((float)(-0.1684) * (*(rgbBuf + i + 2)) + (float)(-0.3316) * (*(rgbBuf + i + 1)) + (float)0.5 * (*(rgbBuf + i))+128);*(v + tmp) = (unsigned char)((float)0.5 * (*(rgbBuf + i + 2)) + (float)(-0.4187)* (*(rgbBuf + i + 1)) + (float)(-0.0813)* (*(rgbBuf + i))+ 128);tmp++;}tmp = 0;//将uv放入缓存，注意4：2：0for (int i = 0; i <int(height-1); i+=2) {for (int j = 0; j < int(width-1); j += 2) {*(uBuf + tmp) = (*(u + i * width + j) + *(u + (i+1) * width + j)+ *(u + i * width + j+1) + *(u + (i+1) * width + j+1))/4.0;*(vBuf + tmp)= (*(v + i * width + j) + *(v + (i + 1) * width + j)+ *(v + i * width + j + 1) + *(v + (i + 1) * width + j + 1)) / 4.0;tmp++;}}//对yuv信号进行限量化电平处理for (int i = 0; i <int( width * height); i++){if (*(yBuf + i) < 16)*(yBuf + i) = 16;if (*(yBuf + i) > 235)*(yBuf + i) = 235;}for (int i = 0; i < int(width * height) / 4; i++){if (*(uBuf + i) < 16)*(uBuf + i) = 16;if (*(vBuf + i) < 16)*(vBuf + i) = 16;if (*(uBuf + i) > 240)*(uBuf + i) = 240;if (*(vBuf + i) > 240)*(vBuf + i) = 240;}free(u);free(v);}

main.cpp

#include"rgb2yuv.h"int main(int argc, char* argv[])
{BITMAPFILEHEADER File_header; //位图文件头BITMAPINFOHEADER Info_header; //位图信息头FILE* bmpFile = NULL;         //指向输入bmp文件指针FILE* yuvFile = NULL;         //指向输出yuv文件指针unsigned char* rgbBuf = NULL; //rgb缓存区unsigned char* yBuf = NULL;   //y缓存区unsigned char* uBuf = NULL;   //u缓存区unsigned char* vBuf = NULL;   //v缓存区int bmpwidth, bmpheight,width,height;  //宽和高的处理变量//定义输入输出文件const char* bmp[5] = { argv[1],argv[2],argv[3],argv[4],argv[5] };const char* yuv = argv[6];//二进制方式打开yuv文件，只写yuvFile = fopen(yuv, "wb");      if (yuvFile == NULL){//找不到bmp文件cout << "无法打开YUV"<< endl;}//二进制方式打开bmp文件，只读for (int i = 0; i < 5;i++){bmpFile = fopen(bmp[i], "rb");if (bmpFile == NULL)                  //找不到bmp文件{cout<<"无法打开bmp"<<i+1<<endl;}//读取bmp文件头if (fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile) != 1){cout << "bmp"<<i+1<<"的文件头无法读取" << endl;}else if (File_header.bfType != 0x4D42) {cout << "bmp" << i + 1 << "不是bmp文件" << endl;}else {cout << "bmp" << i + 1 << "文件头读取成功并且是bmp文件" << endl;}//读取bmp信息头if (fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile) != 1){cout << "bmp" << i + 1 << "的信息头无法读取" << endl;}else {cout << "bmp" << i + 1 << "信息头读取成功" << endl;}//通过结构体实例的成员函数 来调用参数bmpwidth = Info_header.biWidth;bmpheight = Info_header.biHeight;//宽是4的倍数if ((Info_header.biWidth % 4) == 0) {width = Info_header.biWidth;}else {width = Info_header.biWidth+4- Info_header.biWidth % 4;}//高是偶数if ((Info_header.biHeight % 2) == 0) {height = Info_header.biHeight;}else {height = Info_header.biHeight + 1;}cout << width << " " << height << endl;//分配缓存区//分配空间rgbBuf = (unsigned char*)malloc(width * height * 3);yBuf = (unsigned char*)malloc(width * height);uBuf = (unsigned char*)malloc(width * height / 4);vBuf = (unsigned char*)malloc(width * height / 4);//读取BMP文件的RGBreadrgb(bmpFile, File_header, Info_header, rgbBuf, width ,height);//rgb2yuvrgb2yuv(rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, width, height);//yuv写入输出文件outyuv(yBuf, uBuf, vBuf, width * height, yuvFile);fclose(bmpFile);}free(rgbBuf);free(yBuf);free(uBuf);free(vBuf);fclose(yuvFile);return 0;
}

实验结果

yuv

这篇关于图像文件的读写和转换：BMPtoYUV的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/349998。

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